Natrium-Kalium-Kanäle und ihre Bedeutung für die Myelin-Funktion

Nervenstränge, die vom Bauchmark einer Taufliege, dem Pendant zum menschlichen Rückenmark, zu den Beinen führen, verdeutlichen die Bedeutung von Natriumkanalproteinen (grün) in den langen Fortsätzen der Nervenzellen, die Reize weiterleiten. Pink leuchten die Zellkerne von Gliazellen. Ein Netzwerk aus Nervenzellen durchzieht den Körper von Menschen und Tieren. In Form von elektrischen Impulsen übertragen die Nerven Signale von den Sinnesorganen zum Gehirn und vom Gehirn und Rückenmark in den ganzen Körper. Diese elektrischen Impulse sind entscheidend für unsere Fähigkeit, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Die Natrium-Kalium-Kanäle spielen dabei eine zentrale Rolle.

Die Rolle von Ionenkanälen in Nervenzellen

In den Photorezeptoren unserer Netzhaut kann dafür ein einziges Photon ausreichen. Durch diese kaum vorstellbar winzigen Reize kommt es zu einer Änderung der elektrischen Spannung über der Membran der Nervenzellen, welche diese Änderung als Signal über teils erstaunliche Strecken weiterleiten, bis wir sie wahrnehmen und darauf reagieren können. All das basiert auf der Struktur und Funktion von Ionenkanälen. In ihnen verbirgt sich der Schlüssel zum Verständnis der elektrischen Aktivität von Nervenzellen und der Vielseitigkeit ihrer Signale. Ionenkanäle sind integrale Membranproteine, die in allen Zellen vorkommen und sich durch drei Eigenschaften auszeichnen: Sie lassen Ionen durch die ansonsten undurchlässige Membran passieren, sie tun dies (relativ) spezifisch nur für bestimmte Ionen, und sie öffnen und schließen auf spezifische elektrische, chemische oder mechanische Signale. Viele Krankheiten lassen sich auf Veränderungen in der Struktur von Ionenkanälen zurückführen.

Arten von Ionenkanälen

Ionenkanäle lassen sich in drei Gruppen einteilen:

• Spannungsabhängige Ionenkanäle
• Ligandengesteuerte Ionenkanäle
• Mechanisch aktivierte Ionenkanäle

Die Spannungsabhängigkeit von Kanälen ergibt sich daraus, dass die in der Kanalpore fest gebundenen, geladenen Aminosäuren zwar ihren Platz nicht verlassen können, aber natürlich trotzdem auf das Membranpotential reagieren. Die Spannung verschiebt die Ladung tragenden Aminosäuren soweit, bis die Kanalpore unpassierbar wird. Erst wenn die Spannung abgebaut wird, richtet sich die Kanalpore gerade und der Kanal ist passierbar. Ligandengesteuerte Ionenkanäle hingegen öffnen sich erst, wenn ein Signalmolekül, beispielsweise ein Botenstoff oder Neurotransmitter, auf der Außenseite bindet. Auch das führt dazu, dass sich die Gestalt des Kanalproteins etwas verändert und die Pore sich öffnet. Wenn die Innenseite des Kanals mit dem Cytoskelett der Zelle verbunden ist, dann können Zug-, Druck- oder Scherbewegungen die Pore öffnen oder schließen. Und im Ergebnis entsteht ein mechanisch aktivierbarer Ionenkanal.

Selektivität und Funktion

Um zu verstehen, wie es sein kann, dass jeder Kanal (fast) nur eine Art Ion hindurchlässt, muss man sich sowohl die Ionen wie auch Kanäle etwas genauer ansehen: Natrium und Kalium tragen beide jeweils eine positive Ladung. Weil Natrium aber kleiner ist, verteilt sich diese Ladung auf weniger Raum, woraus sich für Natrium ein größeres elektrisches Feld ergibt. Wasser ist zwar nach außen hin elektrisch neutral, besitzt aber trotzdem eine gewisse Polarität. Die Wassermoleküle scharen sich um geladene Teilchen, man spricht von der Hydrathülle, die beim eigentlich kleineren Natrium durch das stärkere Feld eben etwas größer als bei Kalium ist. Die reine Größe der Ionen samt Hydrathülle ist aber nicht ausschlaggebend für die Selektivität der Kanäle. Sie könnte ohnehin nur die Selektivität der Kaliumkanäle erklären. Relevanter ist die Kanal-Innenwand. Dort befinden sich Aminosäuren, die ebenfalls Ladungen tragen. Die Regionen mit geladenen Aminosäuren fungieren wie eine Art molekulares Sieb, dass die einzelnen Ionen selektiert. Für eine sehr kurze Zeit wechselwirkt das Ion mit den Aminosäuren, die es auf dem Weg durch den Kanal durch die elektrostatischen und Diffusionskräfte beschleunigen und durch die Kanalpore drücken. Das funktioniert aber nur dann richtig gut, wenn die Energie, die die geladenen Aminosäuren zur Verfügung stellen, dem Wert entspricht, den das Ion durch den Verlust seiner Wasserhülle verliert. So kann man allein aus der Struktur des Kanalproteins darauf schließen, welches Ion es selektiert. Denn Aminosäuren mit hoher Ladung, wie Aspartat oder Glutamat, wechselwirken stärker mit dem größeren Feld von Natriumionen, geben ihm dadurch mehr Schwung und selektieren so dieses Kation. Trägt die Kanalinnenseite Aminosäuren mit geringerer Ladung, bevorzugt dieser Kanal eher Kalium, weil Natrium nicht genug Energie enthält, um durch den Kanal gedrückt zu werden.

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Konzentrationsunterschiede und Membranpotential

Den Kanälen selbst stehen funktionell die Pumpen gegenüber, meist sehr komplexe Proteine, die ebenfalls in der Membran sitzen. Sie sind es, die Natrium und Kalium voneinander trennen. Sie wenden Energie auf, um fortwährend Natrium und Chlorid aus der Zelle heraus- und das Kalium hineinzupumpen. Und weil diese Substanzen eben Ionen sind, also elektrisch geladene Teilchen, entsteht durch deren ungleiche Verteilung eine elektrische Ladung oder Polarität. Über der Membran besteht also eine Spannung, die in Volt angegeben wird. Nervenzellen sind im Ruhezustand etwa 70 Tausendstel Volt negativer geladen als ihre Umgebung. Diese Zahl zu verringern, also die Spannung abzubauen oder die Zelle zu depolarisieren, bedeutet, dass Energie frei wird: die Zelle ist erregt. Umgekehrt bedeutet die Zahl zu vergrößern, Spannung also aufzubauen und die Zelle zu hyperpolarisieren, dass die Zelle gehemmt wird. Sowohl das Membranpotential, als auch die Konzentrationsunterschiede zwischen den Ionen im Inneren und außerhalb der Zelle sind entscheidend dafür, ob und wie die Nervenzelle auf einen Reiz reagiert.

Die Myelinscheide: Isolation und Beschleunigung

Die meisten Nervenzellen bei uns Menschen sind wie elektrische Kabel isoliert. oder Markscheide umgeben. Die Myelinschicht bildet aber keine durchgehende Umhüllung, sondern ist im Abstand von etwa 0,5-2 mm immer wieder unterbrochen. Das ermöglicht eine saltatorische Erregungsleitung. Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen. Sie funktioniert zugleich wie ein elektrischer Isolator für periphere Nerven, der nur an den Ranvier-Schnürringen unterbrochen wird. Durch diese Isolationsfunktion wird die Membrankapazität verringert und Leckströme durch die Membran verhindert. Wenn sich zwei Axone berühren, könnten die Aktionspotentiale des einen Axons weitere Aktionspotentiale auf dem anderen Axon auslösen. Wie eine Art Kurzschlussreaktion. Bei der Verlegung von Kupferdrähten ist es ratsam, isolierte Kupferdrähte zu nehmen, damit es nicht zu Kurzschlüssen kommt. Eine Myelinscheide verhindert ebenso nach diesem Prinzip einen Kurzschluss in den Nervenzellen.

Zusammensetzung und Bildung der Myelinscheide

Die Myelinscheide besteht aus Myelin. Jeweils nach einzelnen Teilabschnitten werden Axone spiralförmig von den Schwann’schen Zellen umwickelt. Dies geschieht mithilfe der Myelinschichten. Axone können mit bis zu fünfzig solcher doppelten Lagen umwickelt werden. Im zentralen Nervensystem wachsen aus dem Soma der Oligodendrozyten Fortsätze heraus, welche die Axone mit der Myelinscheide umhüllen. Es können mehrere Axonabschnitte gleichzeitig von einem Dendrozyt umwickelt werden.

Die Myelinisierung der Axone beginnt bereits während der Schwangerschaft, setzt sich während der Kindheit fort und wird auch in der Pubertät nochmal verfeinert. Danach findet eine Myelinisierung nur noch in geringem Maße statt.

Funktion der Myelinscheide

Die Funktionen der Myelinscheide an den Axonen sind:

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• Isolierung
• Weiterleitung

Eine Myelinscheide bietet den Neuriten mechanischen Schutz. Eine weitere Funktion der Myelinscheide besteht darin, die Aktionspotentiale weiterzuleiten. Durch die Myelinisierung wird diese Weiterleitung um ein Vielfaches beschleunigt. Je größer der Durchmesser des Axons ist, desto größer ist die Leitungsgeschwindigkeit. Deshalb wurden im Laufe der Evolution die Axone bei wirbellosen Tieren immer dicker.

Saltatorische Erregungsleitung

Die spannungsgesteuerten Natriumionenkanäle findest du nur an den Ranvier’schen Schnürringen. Dort strömen dann die positiv geladenen Natriumionen ins Zellinnere. Dadurch wird ein erneutes Aktionspotential bzw. eine neue Depolarisierung ausgelöst. Sie reicht bis zum nächsten Schnürring. Es wird also immer nur an einem nicht-isolierten Bereich ein Aktionspotential gebildet. Durch die Isolation kann die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden. Energie sparen. Natriumionenkanäle in Bereichen, die das Aktionspotential bereits passiert hat, werden danach inaktiviert. Die Zeit, die sie brauchen, bis sie wieder erregt werden können, nennst du Refraktärzeit. Wenn Nervenzellen nicht isoliert sind, müssen sie die elektrischen Signale kontinuierlich (fortlaufend) weiterleiten. Diese Art der Weiterleitung ist deshalb vergleichsweise langsam.

Das heißt, dass die umständliche Reizübertragung durch andauernde Weitergabe des Aktionspotentials überbrückt wird und von der sprunghaften Reizweiterleitung von Schürring zu Schnürring abgelöst wird. Die Aktionspotentiale springen auf dem Axon, also von Schürring zu Schürring, was damit die Weiterleitungsgeschwindigkeit beträchtlich verkürzt.Die Übertragungsgeschwindigkeit steigert sich dann von etwa 1 bis 2 m/s ohne Myelinscheide auf bis zu 120 m/s bei Axonen mit dicker Myelinscheide. Je schmaler die Schnürringe, desto schneller können dort Aktionspotentiale entstehen.

Myelinscheide im zentralen und peripheren Nervensystem

Myelinscheiden können sowohl im zentralen Nervensystem, als auch im peripheren Nervensystem vorkommen und gebildet werden. Somit unterscheidet sich auch deren Struktur.

• Zentrales Nervensystem: Im ZNS wird die Myelinscheide von den Oligodendrozyten (= Teil der Gliazellen) gebildet. Im Gegensatz zu den Schwann‘schen-Zellen umhüllen sie die Axone nicht mit ihrem Zellplasma, sondern nur mit Fortsätzen. Ein Oligodendrozyt verfügt immer über mehrere Fortsätze, weshalb er im Vergleich zu den Schwann'schen-Zellen auch mehrere Axone myelinisieren kann.
• Peripheres Nervensystem: Im peripheren Nervensystem wird die Myelinscheide durch die Schwann‘schen-Zellen gebildet. Das Axon wird hierbei von mehreren Schwann'schen-Zellen myelinisiert. Die Ranvierschen Schnürringe befinden sich in regelmäßigen Abständen zwischen den Schwann'schen-Zellen. Die Schwann'schen-Zellen umhüllen mit ihrem Zellplasma das Axon mehrere Male, bis das Axon vom Zellplasma elektrisch isoliert wird. Man spricht hier von marklosen Nervenfasern, da sie keine Myelinscheide besitzen.

Die Struktur des Myelins im ZNS unterscheidet sich von dem des PNS. Die Myelinscheiden im ZNS sind meist dünner als die im PNS. Die Ultrastruktur weist ebenso kleinere Unterschiede auf. Diese lassen sich nur unter einem Elektronenmikroskop beobachten. Der Abstand zwischen den Myelinhauptlinien im ZNS beträgt ca. 12 nm, während er im PNS circa 15 nm ausmacht.

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Natrium-Kalium-Kanäle und das Aktionspotential

Das Aktionspotential einer Nervenzelle ist ein komplexer elektrochemischer Prozess, der in vier Hauptphasen unterteilt wird. Im Ruhezustand ist das Zellinnere negativ geladen, während die Außenseite positiv ist. Bei Reizung öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, was zu einem Einstrom von Natriumionen führt. Highlight: Der Schwellenwert Aktionspotential liegt bei etwa -40 mV. In der Repolarisationsphase schließen sich die Natriumkanäle, während sich Kaliumkanäle öffnen. Während der Hyperpolarisation schließen sich die Natriumkanäle vollständig, aber die Kaliumkanäle bleiben noch kurze Zeit geöffnet.

Aktionspotential einfach erklärt

Das Aktionspotential einer Nervenzelle wird detailliert erklärt, einschließlich der vier Phasen und der beteiligten Ionenkanäle. Aktionspotential Nervenzelle einfach erklärt: Es handelt sich um eine kurzzeitige Änderung des elektrischen Potentials der Zellmembran, bei der das Zellinnere von negativ zu positiv.

Die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe

Eine wichtige Rolle spielt auch der aktive Transport über die sogenannte NatriumKalium-Pumpe. Außerhalb der Zelle befindet sich eine relativ hohe Konzentration von Natrium-Ionen, im Inneren der Zelle dagegen eine hohe Konzentration an Kalium-Ionen. Beide strömen entlang ihres Konzentrationsgradienten, Natrium also nach innen, Kalium nach außen. Membran sind jedoch geschlossen, sodass die Ionen nicht einfach in die Zelle strömen können. Einige Natrium-Ionen schaffen es jedoch trotzdem in die Zelle, man spricht hier vom sogenannten Leckeinstrom. Damit dieser nicht zu stark wird und die Natrium-Ionen im inneren der Zelle nicht zu einer Depolarisation führen, werden die Natrium-Ionen aktiv gegen das Konzentrationsgefälle durch die Natrium-Kalium-Pumpe aus der Zelle heraus transportiert. Diese Pumpe tauscht drei Natrium-Ionen aus dem Inneren der Zelle gegen zwei Kalium-Ionen aus dem extrazellulären Raum.

Bedeutung für die Erregungsleitung

Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Dazu benötigt dein Körper die Erregungsweiterleitung. Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neuron. weitergeleitet. Das Aktionspotential einer Nervenzelle wird entlang des Nervenzellfortsatzes - dem Axon - weitergeleitet. Dieser Vorgang heißt Erregungsleitung.

Schlussendlich ermöglicht die Erregungsleitung die Weiterleitung eines elektrischen Signals ans Ende einer Nervenzelle. Wenn das Signal am Ende des Neurons angelangt ist, findet an der Synapse (Kontaktstelle) die Erregungsübertragung auf die nächste Zelle statt.

Krankheiten und Störungen der Myelin-Funktion

Myelinscheide - KrankheitenMultiple Sklerose (MS) ist eine Autoimmunerkrankung, bei der es zu Entzündungen im Nervensystem kommt. Lymphozyten, die über die Blut-Hirn-Schranke ins ZNS eindringen, lösen solche Entzündungsreaktionen aus. Dies hat zur Folge, dass das Myelin der Myelinscheiden abgebaut wird. Die Myelinscheide ist eine isolierende Schutzhülle für die Nervenzellen. Axone, die Fortsätze und allgemein die Nervenzellen werden somit direkt geschädigt. Im Verlauf der Krankheit kommt es zu bleibenden Schäden und Behinderungen. Die Krankheit kann das gesamte Nervensystem betreffen, so wie auch den Sehnerv. Die Ursachen dieser Schädigungen sind noch nicht vollständig geklärt. Die Aktivierung der T-Zellen findet im Immunsystem statt, doch der Auslöser ist auch nicht bekannt. Eine erbliche Veranlagung, Vitamin-D-Mangel und ein bisher unbekannter Virusinfekt werden diskutiert. Eine Therapie mit Heilungschancen gibt es bisher nicht.

So kann bereits die Veränderung an einem einzigen Erbgut-Baustein dazu führen, dass ein Kanal weniger oder ein anderer übermäßig leitfähig für bestimmte Ionen wird. Dann reagieren die Nervenzellen auf ein Eingangssignal vielleicht nicht mit einem Ausgangssignal, sondern mit einer ganzen Serie. Dieser Mechanismus liegt beispielsweise einigen Formen der Epilepsie zugrunde. Hier kommt auch noch einmal das Anion Chlorid ins Spiel. Denn die positiv geladenen Kationen brauchen einen Gegenspieler, sonst schießt die durch sie getragene Aktivität über und nichts kann sie aufhalten. Hemmung und Erregung bilden ein präzises Gleichgewicht, das durch solch winzige Veränderungen leicht aus der Balance geraten kann. Mit teilweise dramatischen Folgen.

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